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29 Novembre 2022
7:30

Aerogel, cos’è e come si produce uno tra i materiali più leggeri e isolanti al mondo

L'aerogel è un materiale che si realizza a partire da un gel e costituito prevalentemente da bolle d'aria. Vediamo le caratteristiche, a cosa serve e come si produce.

A cura di Elena Buratin
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Aerogel, cos’è e come si produce uno tra i materiali più leggeri e isolanti al mondo
aerogel

L'aerogel è un innovativo materiale poroso e molto leggero che si ricava a partire da un gel, la cui componente liquida viene rimpiazzata da gas. Questo materiale contiene molte bolle d'aria, ha una bassa densità e una bassa conduttività termica, e proprio per questi motivi è un ottimo isolante termico. Non a caso alcuni tra i principali campi d'applicazione riguardano l'edilizia e le applicazioni spaziali. Vediamo insieme come è fatto l'aerogel, come viene prodotto, chi l'ha inventato e quanto costa.

Cos'è l'aerogel?

L'aerogel è un materiale solido composto per il 95-99% da aria. Ma come è possibile? Si tratta di una struttura tridimensionale al cui interno è presente una grande quantità di bolle d'aria. Questa struttura è molto spesso composta da silice, ma si trovano anche aerogel di carbonio o di ossidi metallici. Per visualizzare meglio il concetto, facciamo una similitudine culinaria: l'aerogel, per certi versi, è simile alle meringhe preparate dai pasticceri. In quel caso la base è il bianco d'uovo montato a neve a cui viene aggiunto lo zucchero e poi cotto. Il risultato finale è un dolce leggero e spumoso, ricco di bolle d'aria. L'aerogel è una sorta di meringa iper-tecnologica, un materiale solido al cui interno sono presenti tantissime bolle d'aria – ed è proprio per questo che ha una bassissima densità!

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Immagine di aerogel al microscopio elettronico a scansione (Credit: N. Katagiri, et al. 2015).

Questo gli conferisce anche ottime proprietà come isolante termico: è infatti capace di minimizzare il trasferimento di calore derivato da irraggiamento, convezione e conduzione. La convezione termica viene bloccata grazie alla presenza di bolle di piccole dimensioni, le quali non permettono alle molecole di aria o di altri gas di percorrere lunghe distanze e arrivare dall'altro lato del materiale, senza prima interagire con la struttura solida del materiale stesso. Inoltre, il meccanismo di conduzione termica è ridotto grazie alla presenza di enormi quantità di gas intrappolate all'interno della struttura solida.

Come viene prodotto l'aerogel?

Il punto di partenza dell'aerogel è una miscela eterogenea di sostanze di diverse dimensioni in fasi differenti. Questa miscela viene chiamata colloide o sistema colloidale, composto da una fase dispersa e una fase continua.Se, ad esempio, prendiamo una sostanza solida immersa in un liquido e vi applichiamo un processo di dispersione o precipitazione, otterremo una dispersione colloidale di tipo sol, come nel caso del dentifricio. Se, invece, si applica un raffreddamento o una reazione rapida ad una sostanza liquida dispersa in un solido, si forma il gel, come nel caso del formaggio.

Per formare l'aerogel, il sistema colloidale di partenza è formato da componenti liquide e solide. Si prepara poi un gel, con proprietà intermedie tra un liquido (come la densità) e un solido (come la forma). Le forze capillari del gel sono tali da mantenere i liquidi all'interno della struttura, evitando che fluisca al di fuori del network di particelle solide.

Ciononostante, se lasciato esposto all'aria, il liquido presente all'interno del gel può evaporare. Quando una molecola di liquido evapora, le molecole adiacenti vengono "trascinate" proprio dalla forza capillare, andando a distruggere gradualmente il reticolo di particelle solide: il risultato è un residuo denso che prende il nome di xerogel. A questo punto i ricercatori si sono chiesti: è possibile ottenere uno xerogel che riesca a mantenere intatta la struttura originale del gel? Così facendo sarebbe possibile ottenere un materiale dalla bassissima densità, dal momento che la struttura di molecole solide è estremamente ricca di spazi vuoti.

aerogel fiamma

L'aerogel fu scoperto nel 1931 dall'ingegnere chimico Steven Kistler durante un esperimento: il suo obiettivo era quello di asciugare un gel evitando di faro collassare. Per farlo il ricercatore alzò di molto pressione e temperatura, andando poi a rimuovere gradualmente la pressione. Così facendo il fluido venne gradualmente espulso dal gel – evitando che la struttura si distruggesse per colpa della tensione superficiale – permettendo al gas di prendere il suo posto.

L'aerogel è il miglior isolante termico al mondo?

L'aerogel ha una densità di circa 60-80 kg/m3, di poco superiore rispetto alla lana di vetro (10-70 kg/m3), ma molto inferiore rispetto al sughero (250 kg/m3). La sua conduttività termica, ovvero la capacità di trasmettere calore, è molto bassa, all'incirca di 0.015-0.021 W/mK. Quanto minore è la conduttività, tanto minore sarà il calore che lo attraversa. La lana di vetro, ad esempio, per quanto sia un ottimo isolante termico, ha un valore di conducibilità più elevato (0.03-0.05 W/mK). Di conseguenza, l'aerogel, assieme alla schiuma fenolica, è uno degli isolanti termici migliori al mondo. Per assicurare un determinato isolamento termico si ha bisogno di uno spessore inferiore rispetto a tutti gli altri isolanti concorrenti.

Per cosa si usa l'aerogel?

L'aerogel ha diverse applicazioni: da quelle industriali, come l'isolamento di finestre, a quelle spaziali, per intrappolare polvere interstellare – come nella sonda Stardust della NASA. È utilizzato anche nella ricerca, in particolare nell'esperimento Belle II: qui è installato nell'acceleratore di particelle KEK, in Giappone, per identificare particelle con grande accuratezza. Può essere utilizzato anche dall'industria farmaceutica per la dispensazione di farmaci, oppure nell'ambito sportivo con la realizzazione di racchette da tennis. Insomma, di applicazioni ce ne sono davvero a decine!

Quanto costa l'aerogel?

Il costo dell'aerogel è ancora molto elevato, a causa del processo di fabbricazione complesso e delicato. Si aggira fra i 40 €/m2 e i 400 €/m2, in base allo spessore. Per avere un confronto, la lana di vetro costa solamente 6-7 €/m2 circa.

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